王志廣，張春元，康東軒

(中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，太原 030051)

【航空和航海工程】

中繼式無人機自組網(wǎng)方案設(shè)計

王志廣，張春元，康東軒

(中北大學(xué) 機電工程學(xué)院，太原 030051)

針對目前無人機的遠(yuǎn)距通信需要依賴于現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)，提出通過在超出無人機自身通信范圍時增加通信中繼無人機延長無人機的巡航范圍。擔(dān)任中繼角色的無人機依靠前一架無人機采集到的各種環(huán)境和位置信息依據(jù)算法自動規(guī)劃路徑、自主飛行。所有無人機不僅僅是數(shù)量上面的疊加，它們是一個有機的整體，實現(xiàn)了一加一大于二的效果。

無人機；中繼通信；自組網(wǎng)

無人機(unmanned aerialvehicle,簡稱為UAV)是一種有無線控制設(shè)備或由預(yù)先設(shè)計并掛載到機體內(nèi)部的程序控制的無人駕駛飛行器。它不需要駕駛?cè)藛T在機艙內(nèi)進(jìn)行駕駛，所以無需安裝任何與飛行員有關(guān)的設(shè)備，可以增加與任務(wù)有關(guān)的機載設(shè)備。由于無人機上面沒有駕駛員，地面人員需要通過無線電等方式傳輸指令和信息流等，所以就存在一個通信距離的問題，極大的限制了無人機的應(yīng)用范圍。目前針對這一問題的現(xiàn)有解決方案主要有三種：衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中繼、4G網(wǎng)絡(luò)中繼和地面基站中繼。這些方案的一個共同特點是必須依靠現(xiàn)有的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，部署的靈活性較差，并且在戰(zhàn)爭、特大自然災(zāi)害等情況發(fā)生導(dǎo)致基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)被破壞時，無法保證無人機的遠(yuǎn)距離通信的需求?；诖吮疚奶岢霾捎脽o人機組網(wǎng)的方式，中間的無人機作為中繼基站以此延長無人機的任務(wù)巡航范圍。

1 無人機自組網(wǎng)方案簡介

目前無人機的應(yīng)用范圍及其廣泛，大體可以分為軍用和民用兩大類。其實就像很多其它新技術(shù)首先應(yīng)用于軍事領(lǐng)域一樣，無人機同樣最先應(yīng)用于第一次世界大戰(zhàn)。近年來大疆等公司將無人機生產(chǎn)成本進(jìn)一步降低，使得普通民眾有機會接觸到無人機這一高新技術(shù)，尤其是在航拍領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。無人機的機載設(shè)備由于干擾和功率等原因無法依靠自身設(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，目前主要的解決方案有三種：衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、4G網(wǎng)絡(luò)中繼和地面基站中繼。目前的解決方案均是建立在已有的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)之上。

相對于地面基站中繼式無人機自組網(wǎng)方案的優(yōu)點有：

1) 信號發(fā)射天線處于空中，可以減少地形和地面復(fù)雜電磁波的影響，同功率下傳輸范圍更大；

2) 不需要事先部署，運用更加靈活；

3) 降低建設(shè)和維護(hù)的成本；

目前中繼無人機已經(jīng)有應(yīng)用的實例。它們目前的解決思路類似于地面基站，只不過是將地面基站要完成的中繼功能，通過無人機平臺放置于空中，需要人為干預(yù)控制無人機平臺進(jìn)行網(wǎng)路部署。

本文提出的解決方案是通過將一組無人機組成一個整體的系統(tǒng)，彼此之間可以互相通信。根據(jù)任務(wù)的不同和通信距離的長短，系統(tǒng)自動進(jìn)行組網(wǎng)協(xié)同飛行。操作人員只需要操作第一架無人機即可，隨著通信距離的逐漸增加，其余無人機自主起飛進(jìn)行空中組網(wǎng)，無需人為干預(yù)。所以對于操作人員來說，中間的中繼無人機是“不可見”的，操作難度相當(dāng)于一架無人機的難易程度。這種解決方案可以減少操作人員的數(shù)量和降低操作難度。中繼式無人機系統(tǒng)如如圖1所示。

圖1 中繼無人機系統(tǒng)示意圖

具體的實現(xiàn)過程為：

1) 首先，第一架無人機由操作人員控制起飛，通過機載設(shè)備獲取實時的空間位置和環(huán)境信息并傳遞到后方；

2) 當(dāng)?shù)谝患軣o人機傳遞的信號降低到預(yù)先設(shè)定的閾值時，第二架無人機自主起飛充當(dāng)中繼作用；

3) 第二架無人機根據(jù)前一架無人機傳遞回來的坐標(biāo)等信息規(guī)劃飛行路徑自主飛行；

根據(jù)通信距離的長短和任務(wù)的不同要求，無人機編隊自動調(diào)整中繼無人機的位置和數(shù)量以保證通信暢通。

2 無人機自組網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)設(shè)想的中繼式無人機自組網(wǎng)的方案，將整體系統(tǒng)劃分為三大系統(tǒng)進(jìn)行同步設(shè)計縮短時間：環(huán)境感知系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和路徑自主規(guī)劃系統(tǒng)。

環(huán)境感知系統(tǒng)負(fù)責(zé)無人機的空間位置等信息的采集任務(wù)，主要包括：經(jīng)緯度、高度以及障礙物等信息。這些信息及其重要，不僅作為飛行任務(wù)需要采集的信息，而且要為后面的中繼無人機路徑規(guī)劃提供原始的數(shù)據(jù)資料。通信系統(tǒng)是自組網(wǎng)無人機系統(tǒng)的基礎(chǔ)，沒有通信系統(tǒng)也就無從談起無人機自組網(wǎng)；通信系統(tǒng)設(shè)計中的重點和難點主要體現(xiàn)在整個系統(tǒng)的無人機的數(shù)量和位置的不確定性和移動性。路徑自主規(guī)劃系統(tǒng)需要完成中繼無人機的導(dǎo)航問題，即要解決“我在哪兒？”和“要去哪兒？”的問題。路徑規(guī)劃是建立在前面兩個系統(tǒng)之上的，只有環(huán)境感知系統(tǒng)和通信系統(tǒng)工作正常，路徑規(guī)劃才可能實現(xiàn)。在路徑規(guī)劃之后，通過將指令傳遞給無人機的飛控系統(tǒng)，便可以實現(xiàn)對無人機姿態(tài)和軌跡的調(diào)節(jié)與控制。這3個系統(tǒng)不是孤立的，而是一個有機的整體，只有3個分系統(tǒng)才能夠?qū)崿F(xiàn)整體設(shè)計的目標(biāo)。

2.1 環(huán)境感知系統(tǒng)

無人機要實現(xiàn)自主組網(wǎng)首先要能夠獲得每一架無人機的經(jīng)緯度坐標(biāo)和高度等信息。目前獲取經(jīng)緯度的主要手段有：GPS定位、慣性制導(dǎo)定位北斗系統(tǒng)定位等。優(yōu)先使用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)緯度的獲取。當(dāng)衛(wèi)星系統(tǒng)出現(xiàn)故障或由于外部原因無法導(dǎo)航時可以采用慣性制導(dǎo)的方式。

無人機的高度數(shù)據(jù)通過氣壓計傳感器獲取。無人機周邊的障礙物情況可以通過影像識別和超聲波測距傳感器獲取。

當(dāng)采集到需要的環(huán)境信息后，無人機通過通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)狡渌鼰o人機，并以此作為無人機編隊的原始數(shù)據(jù)通過算法計算中繼無人機的飛行軌跡。

2.2 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)作為無人機編隊的基礎(chǔ)，承擔(dān)著及其重要的任務(wù)。對于通信系統(tǒng)來說首先要確定通信協(xié)議；目前常見的通信協(xié)議有：TCP/IP、NETBUI和IPX/SPX三種，每種不同的協(xié)議還有其所適用的環(huán)境。除此之外還有適用于空間環(huán)境的SCPS協(xié)議等。對于安全性較高的場所，甚至?xí)袑Ｓ玫耐ㄐ艆f(xié)議。

由于電磁環(huán)境、地形和距離等因素，通信系統(tǒng)的傳輸有效距離也是不同的。在選定通信協(xié)議之后，我們要選擇合適的通信技術(shù)。當(dāng)兩者確定后通信系統(tǒng)的框架基本建立完整。

為了增加無人信號的有效傳輸距離，可以采取兩種方法[1-2]：

1) 增加信號發(fā)射的功率；

2) 采取定向天線，使得信號在一定的范圍內(nèi)有效距離延長。

2.3 路徑自主規(guī)劃系統(tǒng)

中繼無人機的任務(wù)是保障信息傳遞的暢通，而路徑規(guī)劃是為了確定部署中繼無人機的位置。無人機路徑規(guī)劃是解決無人機自組網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵問題，目的是根據(jù)任務(wù)的要求由預(yù)先設(shè)定的方案實現(xiàn)中繼無人機的自主飛行路徑規(guī)劃，在復(fù)雜的外界環(huán)境中尋求從起點到達(dá)終點的路徑。作為中繼作用的無人機首先要保證與前一架需要中繼通信的無人機的信號連接強度；其次保證前后兩架無人機之間的信號連接強度，如圖2所示。

圖2 無人機信息傳遞

其中無人機 B 為目標(biāo)無人機，即需要將信息回傳到后方。系統(tǒng)運行過程中，優(yōu)先保證無人機A和無人機B之間的通信，

如果出現(xiàn)無人機A和操作人員之間的信號強度不足時，可以通過增加兩者之間無人機的數(shù)量來加以解決。在實現(xiàn)了無人機飛行狀態(tài)信息的采集以及與目標(biāo)點之間的數(shù)據(jù)交換以后，無人機路徑規(guī)劃是解決無人機自組網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵問題；目的是根據(jù)任務(wù)的要求由預(yù)先設(shè)定的方案實現(xiàn)中繼無人機的自主飛行路徑規(guī)，在復(fù)雜的外界環(huán)境中尋求從起點到達(dá)終點的路徑，該路徑必須保證滿足以下2個條件：

1) 無人機在飛行過程中必須保證自身的安全，避免接觸到障礙物；

2) 設(shè)計的路徑在滿足條件1的前提條件下，路程要盡可能的縮短。

由于第一架無人機是人為操縱的，機載設(shè)備會將其飛過的區(qū)域視為安全區(qū)域并將其位置信息實時傳遞回來。為后面的中繼無人機提供安全空間環(huán)境信息，并以此作路徑規(guī)劃的原始輸入數(shù)據(jù)。

中繼無人機的飛行中的導(dǎo)航數(shù)據(jù)主要有：高度、經(jīng)緯度和距離。中繼無人機以與前一架無人機之間的距離作為參考標(biāo)準(zhǔn)，并以得到的安全區(qū)域位置信息作為優(yōu)先考慮的路徑。當(dāng)安全區(qū)域不滿足要求時，依靠中繼無人機的自身的距離傳感器等在飛行過程中自主避障。

每一架無人機以前面的無人機作為參考，判斷飛行過程中要改變的參數(shù)。外部數(shù)據(jù)的優(yōu)先級依次為：信號強度、兩者之間的高度差、經(jīng)緯度。

設(shè)定信號強度的閾值為X1，當(dāng)中繼無人機接收到的前一架無人機信號強度小于X1時，需要進(jìn)行位置調(diào)節(jié)或者通過增加中繼無人機的數(shù)量用以增強信號強度。下文中用中繼無人機表示距離操作人員較近的無人機，目標(biāo)無人機為距離操作人員較遠(yuǎn)的無人機。首先需要確定無人機信號強度的影響因素。無線信號的發(fā)射功率與接收功率之間的關(guān)系

可以用下面的式(1)表示[3]：

PR=PT/rn

(1)

其中：PR為無線信號的接受功率;PT為無線信號的發(fā)射功率;r為兩者之間的距離;n為傳播因子，數(shù)值大小取決于無線信號傳播的環(huán)境。式(1)經(jīng)過化簡可得式(2)：

10*nlgr=10lgPT/PR

(2)

因為中繼無人機需要接受前后的通信，假定前后無人機發(fā)射功率相同，則中繼無人機的接受的功率只與距離相關(guān)，所以中繼無人機的最合適的布置位置為需要中繼的兩架無人機的直線連接上面。當(dāng)信號強度小于閾值X1時，判斷中繼無人機的高度與目標(biāo)無人機的高度差，大于零降低中繼無人機的高度；小于零增加無人機的高度。觀察信號強度的變化，信號改善表明調(diào)整正確，并一直增加(或降低)到目標(biāo)無人機的高度位置，高度調(diào)節(jié)完成。調(diào)節(jié)過程如圖3所示。

圖3 無人機高度調(diào)節(jié)原

若強度信號降低，則表示兩者之間存在障礙物，此時中繼無人機暫停高度調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)為調(diào)節(jié)經(jīng)緯度。當(dāng)通過高度調(diào)節(jié)無法滿足信號強度的最低要求時，需通過調(diào)節(jié)經(jīng)緯度的方式增強信號。

目標(biāo)無人機經(jīng)緯度坐標(biāo)A(x2,y2),中繼無人機的經(jīng)緯坐標(biāo)B(x3,y3)。中繼無人機沿AB連線的水平方向飛行，直到信號強度滿足預(yù)先設(shè)定的閾值。由前面的式(1)和式(2)可知，當(dāng)中繼無人機處于其所連通的兩架無人機連線上時通信效果最好。經(jīng)過分析我們認(rèn)為沿著連接線的垂直線飛行是最為合適的路徑。

3 結(jié)論

中繼式無人機自組網(wǎng)方案是建立在現(xiàn)有無人機技術(shù)、通訊技術(shù)、單片機嵌入式技術(shù)、高精度傳感器等技術(shù)的基礎(chǔ)之上，設(shè)計出的一套能夠自主檢測、判斷并且調(diào)節(jié)的無人機自組網(wǎng)系統(tǒng)。采用無人機中繼的方式實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，可以不依賴于現(xiàn)有的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離通信。此方案可應(yīng)用于突發(fā)公共事件以及地質(zhì)災(zāi)害救援等，在未來戰(zhàn)場中當(dāng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)癱瘓時可以充當(dāng)戰(zhàn)場偵察等任務(wù)。

后續(xù)研究可在文章提出的整體方案基礎(chǔ)之上，細(xì)化各系統(tǒng)的功能，進(jìn)行具體的設(shè)計?；诒疚牡姆桨冈黾又欣^無人機的機載設(shè)備還可構(gòu)成通用網(wǎng)絡(luò)平臺、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中繼等，滿足更廣泛的需求。

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DesignoftheRelayUnmannedAerialVehicleSelf-OrganizingScheme

WANG Zhiguang， ZHANG Chunyuan， KANG Dongxuan

(College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

In light of the distance of the unmanned aerial vehicle communication needs depends on the basis of the existing communication network, but this cannot work when the existing network damaged. Independent relay type unmanned aerial vehicle communication solutions are put forward. Extend unmanned aerial vehicle communication distance by increasing the relay unmanned plane. The relay unmanned plane relies on the automatic planning path and autonomous flight which get by various environment and location information collected by the previous drone All plane are not independent individuals, nor are they merely superimposed on a number of them. They are an organic whole, achieving one plus one greater than two. It can also reduce the number of operators and improve efficiency.

unmanned aerial vehicle; relay communication; Ad-hoc network

2017-09-02；

2017-09-27

王志廣(1991—)，男，碩士研究生，主要從事航空宇航制造工藝與裝備、控制系統(tǒng)的研究；張春元(1965—)，男，碩士，副教授，主要從事航空制造工藝與裝備、制造方面的研究。

10.11809/scbgxb2017.12.051

本文引用格式：王志廣，張春元，康東軒.中繼式無人機自組網(wǎng)方案設(shè)計[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(12):233-235,286.

formatWANG Zhiguang， ZHANG Chunyuan， KANG Dongxuan.Design of the Relay Unmanned Aerial Vehicle Self-Organizing Scheme[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):233-235,286.

TJ02

A

2096-2304(2017)12-0233-03

(責(zé)任編輯楊繼森)